Размещено на http://www.allbest.ru/

Івано-франківський національний технічний

університет нафти і газу

УДК 620.178.3

Спеціальність 05.05.12 - машини нафтової та газової промисловості

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Підвищення експлуатаційної надійності трубних і штангових колон для буріння та видобування нафти і газу

Артим Володимир Іванович

Івано-Франківськ - 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Івасів Василь Михайлович, Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, професор кафедри нафтогазового обладнання, лауреат Державної премії України в галузі науки і техніки.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Лисканич Михайло Васильович, Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, професор кафедри теоретичної механіки;

доктор технічних наук, професор Бойко Анатолій Іванович, Національний університет біоресурсів і природокористування України Кабінету Міністрів України, м. Київ, завідувач кафедри технологій відновлення, випробування та надійності сільськогосподарської техніки;

доктор технічних наук, професор Кожевников Анатолій Олександрович, Національний гірничий університет, м. Дніпропетровськ, професор кафедри техніки розвідки родовищ корисних копалин.

Захист відбудеться "23" листопада 2010 р. о 1000 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 20.052.04 в Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу за адресою: 76019, м. Івано-Франківськ, вул. Карпатська, 15.

З дисертацією можна ознайомитись в науково-технічній бібліотеці Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу за адресою: 76019, м. Івано-Франківськ, вул. Карпатська, 15.

Автореферат розісланий "19" жовтня 2010 p.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради кандидат технічних наук, доцент Пилипів Л.Д.

Анотації

Артим В.І. Підвищення експлуатаційної надійності трубних і штангових колон для буріння та видобування нафти та газу. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.05.12 - машини нафтової і газової промисловості. - Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, Івано-Франківськ, 2010. корозійний бурильний трубний

Дисертацію присвячено вирішенню проблем впливу навантажування на накопичення корозійно-втомного пошкодження трубних і штангових колон з метою розроблення ефективних методів оцінки їх довговічності та залишкового ресурсу.

Проведено експериментальні дослідження експлуатаційного навантажування трубних і штангових колон та локальних напружень згину в елементах бурильних колон і колон насосних штанг на викривлених ділянках. Розроблено метод підсумовування втомних пошкоджень при широкосмуговому навантажуванні та відповідний метод схематизації випадкового процесу навантажування. Розроблено метод урахування напружень з високим рівнем асиметрії циклу та чотирипараметричне рівняння кривої втоми для урахування корозійного чинника при оцінці довговічності трубних і штангових колон. Удосконалено розрахунково-експериментальний метод оцінки навантаженості елементів колон за допомогою індикаторів навантаження. Удосконалено розрахунково-експериментальний метод оцінки навантаженості та залишкового ресурсу колон за результатами досліджень натурних зразків з різним ступенем накопиченого корозійно-втомного пошкодження. Результати досліджень експериментально апробовано на натурних зразках елементів свердловинного обладнання.

Комплексне врахування теоретичних і експериментальних досліджень, які ґрунтуються на закономірностях кінетики накопичення корозійно-втомного пошкодження елементів трубних і штангових колон, дало змогу вдосконалити методи розрахунку їх довговічності та залишкового ресурсу.

Ключові слова: трубні та штангові колони, схематизація навантаження, корозійно-втомне пошкодження, довговічність, залишковий ресурс.

Артым В.И. Повышение эксплуатационной надежности трубных и штанговых колонн для бурения и добычи нефти и газа. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.05.12 - машины нефтяной и газовой промышленности. - Ивано-Франковский национальный технический университет нефти и газа, Ивано-Франковск, 2010.

Диссертация посвящена решению проблемы повышения эксплуатационной надежности бурильных и штанговых колонн для бурения и добычи нефти и газа путем разработки эффективных методов оценки их долговечности и остаточного ресурса по эксплуатационной нагрузке.

Проведена оценка эксплуатационной нагрузки трубных и штанговых колонн с помощью разработанных методик и средств. Проведена оценка контактных усилий и локальных напряжений изгиба в элементах бурильных и штанговых колонн на искривленных участках с учетом силы растяжения и параметров искривления оси буровой скважины. Разработано чотирехпараметрическое уравнение кривой усталости с учетом коррозионного фактора при низких напряжениях. Разработан расчетно-экспериментальный метод оценки остаточного ресурса трубных и штанговых колонн по результатам исследований натурных образцов с разным коррозионно-усталостным повреждением. Усовершенствован метод суммирования усталостных повреждений при широкополосной нагрузке, базирующийся на раздельном учете многочастотности и распределения амплитуд на отдельных частотах. Усовершенствован метод схематизации случайного процесса нагружения с учетом многочастотности процесса и распределения амплитуд во времени, который базируется на определении экстремумов при поэтапном сглаживании процесса путем замены восходящих размахов на их средние значения. Усовершенствован метод учета циклов с положительным средним напряжением, в том числе с амплитудой напряжения, низшей за границу выносливости, при оценке долговечности с учетом кинетики усталостного повреждения. Усовершенствован расчетно-экспериментальный метод оценки нагружения элементов колонн с помощью индикаторов нагрузки, который дает возможность провести интегральную оценку нагружения с выделением нескольких уровней напряжений и определением на каждом уровне эквивалентного количества их циклов. Экспериментально исследовано накопление усталостных повреждений натурных образцов бурильной трубы ТБВ 140 "Л" с замковым соединением 3-147 и коррозионно-усталостных повреждений насосных штанг с разным сроком эксплуатации.

Комплексный учет теоретических и экспериментальных исследований, базирующихся на закономерностях кинетики накопления коррозионно-усталостного повреждения элементов трубных и штанговых колонн, дал возможность усовершенствовать методы расчета их долговечности и остаточного ресурса и, таким образом, повысить их эксплуатационную надежность. Разработанные методики и оборудование внедрены в нефтегазовую промышленность.

Ключевые слова: трубные и штанговые колонны, схематизация нагрузки, коррозионно-усталостное повреждение, долговечность, остаточный ресурс.

Artym V. I. Operate reliability raise of pipe and sucker-rod strings for boring and an oil and gas recovery. - Manuscript. Thesis for a doctor's degree on technical sciences on the speciality 05.05.12 - Equipment for Oil and Gas Industry. - Ivano-Frankivsk National Technical University of Oil and Gas, Ivano-Frankivsk, 2010.

The thesis is devoted the solution of a problem of operate reliability raise of pipe and sucker-rod strings for boring and oil and gas recovery by development of effective methods of their longevity and a residual resource appraisal on an operating load.

Experimental researches of an operating load and peephole cyclic stresses of a flexure in members of drilling and sucker-rod strings on the bent leases have been held. The summation method of fatigue damages of pipe and sucker-rod strings members at a broadband loading and the applicable method of casual process schematization of an loading has been designed. A method for the account of asymmetric cycle stresses high level and a four-parametric equation of a curve fatigue for the account of the corrosive factor have been designed at an appraisal of longevity of boring and sucker-rod strings members. Calculated-experimental methods of an appraisal of boring and sucker-rod strings members loading by means of weight indicators and an appraisal of a residual resource of members of pipe and sucker-rod strings by results of studies of full scale specimens with a different extent of the accumulated corrosion-fatigue fault have been developed. Results of study are approved experimentally on full scale specimens of members of drilling and sucker-rod strings.

The complex account idealized and the experimental researches founded on regularity of kinetics of up building of a corrosion-fatigue fault of pipe and sucker-rod strings members, has given the chance to develop methods of their longevity and a residual resource calculation. Designed methods of application and means are implanted in the oil and gas industry.

Keywords: pipe and sucker-rod strings members, loading schematization, corrosion-fatigue fault, longevity, residual resource.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Забезпечення надійної роботи деталей машин є складною і багатоплановою задачею. Її можна вирішити тільки шляхом поєднання зусиль на окремих етапах: від стадії проектування, де закладається надійність, через стадію виготовлення, де вона забезпечується технологічно, до стадії експлуатації, де надійність повинна реалізуватися. Слід враховувати механізми руйнування матеріалів, які можуть проявити себе під час експлуатації, такі як, у першу чергу, втомні процеси, часто поєднані з корозією. Однак, незважаючи на величезну кількість теоретичних і експериментальних досліджень, які проводилися і проводяться в усіх розвинутих країнах, і значний прогрес у розумінні процесів руйнування, аварії, пов'язані з корозійною втомою, все ще є звичайним явищем. Статистичні дані свідчать, що понад 90% усіх руйнувань інженерних конструкцій, що трапляються у світі, є безпосереднім наслідком втомних і корозійно-втомних процесів. Тому проблема підвищення експлуатаційної надійності машин, які працюють в умовах корозійної втоми є актуальною, особливо для відповідальних деталей, руйнування яких може призвести до важких аварій. Це повністю стосується трубних і штангових колон, аварії з якими пов'язані зі значними матеріальними збитками.

Проблема підвищення експлуатаційної надійності трубних і штангових колон для буріння та видобування нафти та газу нерозривно пов'язана з проблемою оцінки їх навантажування. Особливістю роботи елементів трубних і штангових колон є надзвичайно складний характер навантажування, пов'язаний, у першу чергу, із його нестаціонарністю та багаточастотністю. Це значно ускладнює оцінку довговічності і залишкового ресурсу колон, що спричинено відсутністю ефективних, науково обґрунтованих методів оцінки корозійно-втомного пошкодження деталей машин, які працюють у таких складних умовах. Крім цього, на сьогоднішній день у світі немає загальноприйнятих теоретичних методів, які б давали можливість адекватно змоделювати навантаження елементів трубних і штангових колон. Зважаючи на складність проблеми, жодним теоретичним методом неможливо врахувати всі важливі чинники, більшість з яких має випадковий характер. Тому актуальним і важливим як для теорії, так і практики питанням є оцінка експлуатаційної навантаженості колон.

Отже, проблема підвищення експлуатаційної надійності трубних і штангових колон для буріння та видобування нафти вимагає розв'язку комплексу задач з розроблення ефективних методів оцінки корозійно-втомної довговічності та залишкового ресурсу колон за їх експлуатаційною навантаженістю, що і є метою даної дисертаційної роботи.

Великий внесок у розвиток обраного напрямку внесли такі відомі вітчизняні та закордонні вчені як Баграмов Р.О., Вірновський О.С., Вудс Г., Дреготеску Н.Д., Дубленич Ю.В., Ібрагімов І.Х., Івасів В.М., Карпаш О.М, Копей Б.В., Крижанівський Є.І., Круман Б.Б., Лачінян Л.А., Лубінський А., Малько Б.Д., Мілс К., Похмурський В.І., Почтєнний Є.К., Саркісов Г.М., Сароян О.Е., Сергєєв С.Т., Слоннеджер Д., Харченко Є.В., Фаєрман І.Л. та інші.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано в межах наукового напрямку Національної програми "Ресурс" (постанова Кабінету Міністрів від 08.10.04 р. № 1331).

Окремі розділи дисертації розроблялися під час виконання науково-дослідних тем:

Д-1-07-Ф "Дослідження нових енергоресурсозберігаючих, екологічнобезпечних технологій видобування та транспортування вуглеводнів" (Державний реєстраційний № 0107U001558);

Д-9-10-Ф "Удосконалення наукових основ управління технологічними процесами видобування та транспортування нафти і газу з мінімальними енергозатратами" (Державний реєстраційний № 0110U000145);

Д-9/04-П "Розробка наукових технологій подовження ресурсу та підвищення ефективності роботи нафтогазового обладнання" (Державний реєстраційний № 0104U004087);

11-102-6 "Розробка методу прогнозування залишкового ресурсу та критичних деформацій газопроводів за допомогою індикаторів навантаження після ремонту його ділянок" (Державний реєстраційний № 0103U001613);

27-2003 "Розроблення СОУ "Оцінка фактичної навантаженості і прогнозування залишкового ресурсу підводного трубопроводу" ДАТ "Чорноморнафтогаз" (Державний реєстраційний № 0103U007204);

9/1069-НТП "Розробка методики та засобів аналізу технічного стану глибинного обладнання СШНУ на основі ідентифікації діаграми навантаження".

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення експлуатаційної надійності трубних і штангових колон для буріння та видобування нафти шляхом розроблення ефективних методів оцінки корозійно-втомної довговічності та залишкового ресурсу колон за їх експлуатаційною навантаженістю.

Для реалізації поставленої мети потрібно вирішити такі завдання:

- дослідити сучасний стан проблеми підвищення експлуатаційної надійності трубних і штангових колон для буріння та видобування нафти;

- дослідити процес навантажування елементів бурильних і штангових колон за допомогою удосконалених методик та засобів його оцінки;

- оцінити вплив викривленості свердловин на циклічну навантаженість бурильних і штангових колон;

- дослідити процес накопичення втомного і корозійно-втомного пошкодження в елементах бурильних і штангових колон;

- розробити методи комплексної оцінки впливу навантажування на втомне і корозійно-втомне пошкодження елементів бурильних і штангових колон.

Об'єктом досліджень є втомне і корозійно-втомне пошкодження елементів трубних і штангових колон.

Предмет досліджень - вплив навантажування трубних і штангових колон на їх експлуатаційну надійність.

Методи досліджень. Дослідження проводились за допомогою комплексного методу, що полягає в сумісному використанні фізичного, математичного та комп'ютерного моделювання об'єкта досліджень та експериментальних методів для підтвердження адекватності отриманих результатів на діючому обладнанні та на лабораторних установках. Отримані основні положення дисертації, що складають наукову новизну, сформульовані висновки і рекомендації науково обґрунтовано із залученням математичних методів теорії диференціальних рівнянь, кінетичної теорії втоми, статистичних методів обробки й аналізу результатів експериментальних досліджень.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Уперше розроблено чотирипараметричне рівняння кривої корозійної втоми, яке відрізняється запропонованим рівнянням нижньої гілки та дає змогу проводити розрахунок назначеного ресурсу елементів трубних і штангових колон з урахуванням корозійно-втомного пошкодження за дії характерних для елементів колон циклів напружень з амплітудами, нижчими за умовну границю корозійної витривалості.

2. Уперше розроблено розрахунково-експериментальний метод оцінки залишкового ресурсу трубних і штангових колон за допомогою запропонованої системи рівнянь для визначення еквівалентних за пошкоджуючою дією напружень та кількості циклів навантажування, який дає змогу розрахувати залишковий ресурс елементів колон за результатами досліджень натурних зразків з різним ступенем накопиченого корозійно-втомного пошкодження.

3. Удосконалено розрахунково-експериментальний метод оцінки навантаженості трубних і штангових колон за допомогою індикаторів навантаження, який ґрунтується на використанні закономірностей кінетики зниження границі витривалості індикаторів, виділенні певної кількості рівнів амплітуд напружень і визначенні за запропонованою системою рівнянь на кожному рівні еквівалентної за пошкоджуючою дією кількості їх циклів, що дає змогу проводити поточну інтегральну оцінку навантаженості колон.

4. Удосконалено метод підсумовування втомних пошкоджень елементів трубних і штангових колон за випадкового навантажування, особливістю якого є використання окремих коефіцієнтів впливу на відхилення від лінійної гіпотези накопичення пошкодження багаточастотності та розподілу амплітуд на окремих частотах, що дає змогу врахувати дані чинники під час розрахунків експлуатаційної надійності трубних і штангових колон.

5. Удосконалено метод схематизації випадкового процесу навантажування, який полягає у визначенні екстремумів за поетапного згладжування процесу шляхом заміни висхідних розмахів на їх середні значення і дає змогу врахувати розподіл амплітуд у часі та багаточастотність випадкового процесу навантажування трубних і штангових колон.

6. Удосконалено метод приведення асиметричних циклів напружень з середнім напруженням розтягу до симетричних з використанням запропонованих кусково-лінійних рівнянь для оцінки чутливості матеріалу до асиметрії циклів, що дає змогу проводити розрахунок довговічності елементів трубних і штангових колон в умовах дії типового для них низькоамплітудного асиметричного навантаження.

Практичне значення одержаних результатів.

Практичне значення одержаних результатів полягає в:

- розробці удосконаленого засобу вимірювання навантажень у верхній частині штангової колони, який дає змогу виділяти високочастотні цикли навантажень і проводити безпосередній запис результатів вимірювань для їх комп'ютерної обробки (патент України № 21964). Засіб упроваджено в НГВУ "Надвірнанафтогаз" ВАТ "Укрнафта", а також у навчальному процесі на кафедрі нафтогазового обладнання ІФНТУНГ з дисципліни "Машини і обладнання для видобутку нафти і газу";

- розробці удосконалених методик розрахунку напружено-деформованого стану елементів трубних і штангових колон на викривлених ділянках свердловини з урахуванням розтягу. Теоретичні та експериментальні дослідження використано при розробленні керівних документів: "Інструкція по розрахунку і вибору колони насосних штанг", впровадженій у ГПУ "Полтавагазвидобування", Надвірнянському та Чернігівському НГВУ ВАТ "Укрнафта"; "Інструкція по забезпеченню надійності бурильної колони на викривлених ділянках свердловини при комбінованому способі буріння", впровадженій у ДАТ "Чорноморнафтогаз".

- оцінці параметрів кінетичних кривих корозійної втоми насосних штанг з різним пошкодженням (0, 4, 8 років експлуатації на глибині 1000 м), що можуть використовуватися під час розрахунку назначеного і залишкового ресурсу штангових колон за їх експлуатаційним навантаженням;

- удосконаленні методик проведення та оброблення результатів експериментальних досліджень з оцінки параметрів кінетичних кривих корозійної втоми елементів трубних і штангових колон.

Теоретичні методи оцінки експлуатаційної надійності трубних і штангових колон впроваджено в навчальному процесі на кафедрі технології нафтогазового машинобудування ІФНТУНГ з дисципліни "Методи забезпечення точності і надійності в машинобудуванні" і кафедрі комп'ютеризованого машинобудівного виробництва ІФНТУНГ з дисципліни "Технологічні методи забезпечення якості виробів".

Положення, що виносяться на захист:

1) методи підсумовування корозійно-втомних пошкоджень і схематизації випадкового процесу навантажування елементів трубних і штангових колон;

2) чотирипараметричне рівняння кривої корозійної втоми, яке дає змогу проводити розрахунок назначеного ресурсу елементів трубних і штангових колон з урахуванням корозійно-втомного пошкодження за дії характерного для елементів колон низькоамплітудного навантаження;

3) розрахунковий метод урахування впливу параметрів низькоамплітудного навантаження з середнім напруженням розтягу при розрахунках ресурсу бурильних і штангових колон;

4) розрахунково-експериментальні методи оцінки залишкового ресурсу бурильних і штангових колон за результатами досліджень натурних зразків з різним ступенем накопиченого корозійно-втомного пошкодження та оцінки навантаженості елементів бурильних і штангових колон за допомогою індикаторів навантаження.

Особистий внесок здобувача.

Із наукових праць, які опубліковано у співавторстві, на захист винесено їх основні частини, розроблені особисто дисертантом. Зокрема, [1] - розроблення і обґрунтування методу вкладених циклів; [2] - оцінка впливу низьких напружень на накопичене пошкодження матеріалу бурильних труб; [3] - розроблення блоку навантаження, оцінка результатів; [4] - розроблення методу оцінки залишкового ресурсу довгомірних об'єктів за результатами досліджень моделей-"вирізок"; [5] - розроблення методу підсумовування втомного пошкодження за випадкового навантажування; [6], [20], розроблення принципової схеми визначення положення бурильної колони; [7] - розроблення методики оцінки довговічності та залишкового ресурсу довгомірних об'єктів; [8] - розроблення програмного забезпечення для розрахунку довговічності з урахуванням зниження границі витривалості; [9], [31] - удосконалення методу урахування асиметрії циклу під час розрахунків на довговічність; [10] - проведення експериментальних досліджень та аналіз результатів; [11] - розроблення методу оцінки залишкового ресурсу насосних штанг за кінетичними кривими втоми; [12] - аналіз результатів тарування удосконаленого динамографа; [13], [37] - оцінка впливу навантаженості на довговічність насосних штанг; [14] - розроблення методики прогнозування залишкового ресурсу за кінетичними кривими втоми; [15] - аналіз відмов колони насосних штанг за відносною глибиною; [16] - розроблення рівняння нижньої гілки кривої корозійної втоми; [21] - Розроблення програмного забезпечення для чисельного розв'язку рівнянь розрахунку напружень згину; [22] - оцінка циклічного навантаження різьбових з'єднань бурильних труб; [26], [38] - обґрунтування розробленого рівняння кривої корозійної втоми; [27] - розроблення програми і проведення випробувань, аналіз результатів досліджень довговічності бурильних труб; [32] - розроблення удосконаленої методики урахування низькоамплітудних циклів напружень при розрахунках на довговічність; [34] - обґрунтування доцільності використання методу вкладених циклів для розрахунків довговічності за випадкового навантажування; [35] - обґрунтування методу підсумовування втомних пошкоджень за багаточастотного випадкового навантажування; [36] - розроблення програмного забезпечення для оцінки параметрів динамограми за використання удосконаленого динамографа.

Методики, аналітичні і емпіричні залежності, комп'ютерні програми для виконання розрахунків і отримані результати, які виносяться на захист, належать особисто автору. Усі винаходи, зроблені в ході виконання роботи, є результатом колективної творчості.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались та обговорювались на: 6, 7 Міжнародних симпозіумах українських інженерів-механіків (м. Львів, 2003, 2005); Міжнародних наукових конференціях (м. Бая-Маре, Румунія, 2003, 2004, 2006, 2008); ІІ Міжнародній науково-технічній конференції "Проблеми динаміки і міцності в газотурбобудуванні" (м. Київ, 2004); Міжнародних науково-технічних конференціях "Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні" (м. Харків, 2003, 2005); 8 Міжнародній науково-практичній конференції "Нафта і газ України" (Судак, 2004); 2 Міжнародному симпозіумі "Hydrocarbons & Chemistry" (м. Гардея, Алжир, 2004); Міжнародній науково-практичній конференції до 40-річчя ІФНТУНГ (м. Івано-Франківськ, 2007); Міжнародній науково-практичній конференції "Пошкодження матеріалів під час експлуатації, методи його діагностування і прогнозування" (Тернопіль, 2009).

Дисертація в повному обсязі доповідалась та обговорювалась на науковому семінарі кафедр "Буріння нафтових і газових свердловин" і "Нафтогазове обладнання" ІФНТУНГ і науково-технічному семінарі кафедр "Обладнання нафтових і газових промислів" і "Видобування нафти і газу та геотехніки" Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 38 робіт, з яких 26 статей у фахових виданнях України, 3 - патенти України, 9 - у збірниках праць та тез міжнародних конференцій.

Структура дисертації.

Дисертація складається із вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел, що містить 267 найменувань на 29 сторінках, та 3 додатків на 68 сторінках. Робота містить 112 рисунків (9 - на окремих сторінках) та 17 таблиць (2 - на окремих сторінках). Загальний обсяг дисертації - 281 сторінка.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовані мета роботи, задачі та методи досліджень, наукова новизна, практичне значення отриманих результатів, а також перелік місць апробації роботи.

У першому розділі досліджено сучасний стан проблеми підвищення експлуатаційної надійності трубних і штангових колон для буріння та видобування нафти.

Проведено аналіз аварійності бурильних і штангових колон. Аналіз показує, що домінантними і найбільш небезпечними їх відмовами є руйнування через корозійно-втомні пошкодження. У першу чергу, це пов'язано з навантаженістю трубних і штангових колон, яка характеризується великою складністю як по довжині, так і в часі.

Зокрема, напруження, які виникають у бурильних колонах (БК) у процесі експлуатації, в більшості випадків є випадковими функціями часу. Специфікою процесу навантажування БК є чітко виражений блоковий характер. Так, можна виділити такі режими роботи БК: спуск, безпосередньо буріння, піднімання. Особливим режимом нерідко є також ремонтно-відновлювальні роботи, пов'язані зі значними перевантаженнями БК. З точки зору аварійності БК дія змінних напружень і, як наслідок, розвиток втомних процесів, має особливу небезпеку. Процес накопичення втомних пошкоджень, на відміну від зношування, не піддається візуальному контролю. За визначених умов період докритичного підростання тріщини може бути меншим, ніж прийнятий період дефектоскопії бурового інструмента. Характерною особливістю відмов такого типу є те, що вони мають вузьколокалізований характер і відбуваються раптово.

Навантажування штангової колони (ШК), на відміну від навантажування БК, не має чітко вираженого блокового характеру, особливо при роботі у малодебітних свердловинах, характерних для України. Але структура процесу надзвичайно складна. На основну детерміновану складову ваги колони штанг (з вагою і без ваги суміші в колоні насосно-компресорних труб) накладається вібраційна, практично випадкова, складова з великим розкидом значень як амплітуд, так і частот. Слід відмітити ще й значний вплив локальних циклічних напружень згину на викривлених ділянках, який є основною причиною корозійно-втомного руйнування ШК у нижній, менш напруженій осьовими силами частині.

Таким чином, особливістю експлуатації трубних і штангових колон є те, що вони підлягають впливу нестаціонарного навантажування з дуже складною структурою.

Тому проведено аналіз сучасних наукових напрямків до вирішення проблеми оцінки довговічності деталей та елементів конструкцій, які працюють в умовах складного нестаціонарного навантажування.

Проведений аналіз показав, що на сучасному етапі немає загальноприйнятої дієвої методики оцінки довговічності деталей машин, які працюють в умовах випадкових навантажувань, особливо зі складною структурою (наприклад, широкосмугові нестаціонарні випадкові процеси, характерні для трубних і штангових колон). Тому питання розроблення методів, які б дозволили враховувати складність процесу навантажування при розрахунках довговічності, має велику наукову і практичну цінність.

Таким чином, для підвищення експлуатаційної надійності трубних і штангових колон необхідним є проведення детальної оцінки навантаженості і розроблення більш досконалих методів прогнозування їх довговічності та залишкового ресурсу.

Другий розділ присвячено розробці методик та засобів експериментального дослідження навантаженості та довговічності трубних і штангових колон.

Для оцінки експлуатаційної навантаженості бурильної колони під час виконання спуско-піднімальних операцій проведено промислові експериментальні дослідження. Бурильну колону була оснащено спеціальним перевідником з тензодавачами. Також визначались швидкість і напрям руху бурильної колони. Запис сигналів з давачів здійснювався на багатоканальному швидкодіючому самописці Н 338-4. Усі вимірювальні засоби пройшли відповідне тарування і налагодження.

Для оцінки навантаженості ШК розроблено захищений патентом України № 21964 удосконалений динамограф з індуктивним давачем малих переміщень. Давач вимірює зміну зазору між верхньою та нижньою планками силовимірювального вузла і формує вихідний сигнал, який після обробки в аналого-цифровому перетворювачі поступає для обробки в ПЕОМ. Границя приведеної похибки вимірювання положення таким динамографом у робочому температурному діапазоні складає максимально 1,5 %.

Для розроблення методики і засобів оцінки навантаженості колон за допомогою індикаторів навантаження спроектовано і виготовлено випробну установку, яка дозволяє проводити випробування зразків у широкому діапазоні геометричних параметрів жорстким навантажуванням на консольний згин з регулюванням амплітуди деформації в межах 0…10 мм.

Також у розділі наведено методики експериментальних досліджень втомної та корозійно-втомної міцності елементів бурильної колони та насосних штанг.

У третьому розділі представлено результати аналітичних і експериментальних досліджень навантаженості трубних і штангових колон.

Експериментальні дослідження навантаженості бурильної колони під час виконання СПО було проведено на свердловині № 908 - пасічна Надвірнянського управління бурових робіт, оснащеній буровою установкою "Уралмаш-4Е". Дослідження проводились під час спуску бурильної колони з довжиною бурильної колони від 1 свічі довжиною 37 м до 54 свічок загальною довжиною 2000 м та на різних швидкостях. Запис експлуатаційного навантажування на перевіднику здійснювався за загальної довжини БК 190 м, 500 м (рис. 1) і 1580 м.

Рис 1.

Початковий аналіз записів експлуатаційного навантажування під час спуску показав значний розкид значень асиметрії циклів. Для довжини 190 м і, особливо, 500 м характерною особливістю також є значний вплив високочастотної складової з низькими амплітудами. За довжини 1580 м спостерігається значне збільшення кількості високоамплітудних напружень. Високочастотні напруження, характерні для менших довжин, майже не спостерігаються. Це пояснюється тим, що при довжині БК 1580 м вже використовувалось гідравлічне гальмо, яке значно зменшує високочастотні коливання.

У розділі також представлені результати експериментальних досліджень навантаженості колони насосних штанг. Дослідження проводились на свердловинах Довбушансько-Бистрицького нафтового родовища, оснащених штанговими свердловинними насосними установками. На свердловинах записувались динамограми за допомогою гідравлічного динамографа ГДМ-3 та розробленої вимірювальної системи з використанням індуктивного давача малих переміщень. При цьому проводився запис діючих зусиль на протязі певного часу, що давало можливість оцінити сталість процесу навантаження. Приклад запису наведено на рис. 2.

Рис. 2. Приклад запису навантаження верхньої частини штангової колони на свердловині № 90 Довбушансько-Бистрицького нафтового родовища

Як відомо, свердловини України характеризуються значною викривленістю. У такому випадку в процесі роботи, крім змінних напружень розтягу, БК і ШК підлягають впливу додаткових циклічних локальних напружень згину на викривлених ділянках. Тому однією із задач досліджень є визначення напружень у БК і ШК на викривленій ділянці з урахуванням поздовжніх сил розтягу.

З використанням розробленої методики чисельного розв'язку проведено оцінку впливу геометрії викривленої ділянки свердловини, зокрема, її кута і радіуса викривлення на напруження згину ШК з урахуванням поздовжньої сили розтягу. Деякі результати розв'язку наведено на рис. 3.

а б

Рис. 3. Локальні напруження згину в ШК при силі розтягу: а - 1 Н; б - 500 Н.

Слід відмітити значний вплив напружень розтягу на амплітуду циклічних напружень згину, а отже, і на довговічність колони штанг на викривленій ділянці. Так, якщо напруження розтягу внизу колони будуть змінюватися від 0 до 1,8 МПа при силі розтягу 500 Н, то напруження згину на ділянці з кутом викривлення 20є і радіусом 50 м - від 50,7 до 207,3 МПа. Таким чином, амплітуда згинаючих напружень досягає 78,3 МПа, що може служити основною причиною корозійно-втомного руйнування колони у нижній частині на викривлених ділянках.

Проведено аналітичні дослідження з визначення сил та напружень в БК на викривленій ділянці з урахуванням розтягу і зазору між БК і стінкою свердловини. Розроблено критерій вибору положення бурильної колони на викривленій ділянці свердловини. Показано, що нехтування силами розтягу та неспівпадінням осі свердловини і бурильної колони може призвести до похибок при розрахунках напружено-деформованого стану та довговічності бурильних труб. Так, наприклад, визначено напруження у поперечному перерізі бурильних труб ТБПК 127 (товщина стінки 8 мм) у криволінійному стовбурі свердловини діаметром 295,3 мм. За відстані від нейтрального перерізу до початку криволінійної ділянки =250 м колона буде доторкатися до нижньої частини стінки свердловини по всій довжині. У цьому випадку напруження згину становить 9,5 МПа. За збільшення до 260 м, сила розтягу зростає і стає достатньою для відриву колони від стінки свердловини. Напруження зростає до 11,9 МПа. За подальшого збільшення (понад 260 м), сила розтягу спричиняє контакт бурильної колони із верхньою частиною стовбура свердловини, а величина напружень збільшується від 15,2 до 40,2 МПа за збільшення до 300 м. За роторного буріння такі циклічні напруження становлять небезпеку прискореного корозійно-втомного руйнування БК, що слід враховувати під час їх експлуатації.

Проведені в роботі теоретичні та експериментальні дослідження використано при розробленні керівних документів: "Інструкція по розрахунку і вибору колони насосних штанг" та "Інструкція по забезпеченню надійності бурильної колони на викривлених ділянках свердловини при комбінованому способі буріння".

У четвертому розділі наведено результати дослідження закономірностей накопичення корозійно-втомного пошкодження елементів колон в умовах випадкового процесу навантажування.

Слід відмітити, що у випадку складного випадкового процесу навантажування спостерігаються найбільші розбіжності між теоретичними розрахунками довговічності та залишкового ресурсу і експериментальними результатами. На нашу думку, в першу чергу це пов'язано з недостатнім урахуванням дії двох чинників. По-перше, це вплив послідовності амплітуд циклів напружень. У багатьох випадках таким впливом не можна нехтувати, наприклад, у випадку наявності в блоці навантажування високих, так званих пікових амплітуд напружень, або низьких амплітуд напружень, менших за границю витривалості. По-друге, значення відносного накопичення пошкоджень залежить від коефіцієнту широкосмуговості , а саме, його зменшення, тобто збільшення широкосмуговості і складності процесу навантажування, призводить до значного погіршення точності оцінки довговічності за існуючими методами підсумовування пошкоджень. Таким чином, необхідною передумовою створення більш універсального методу підсумовування втомних пошкоджень за складного широкосмугового навантажування є одночасне врахування впливу як послідовності амплітуд циклів напружень, так і багаточастотності процесу навантажування.

Тому для врахування складності процесу навантажування трубних і штангових колон запропоновано метод, який ґрунтується на роздільному врахуванні багаточастотності процесу і його складності на окремих частотах за допомогою окремих коефіцієнтів.

Сумарне пошкодження визначаємо за запропонованою формулою

, (1)

де s - кількість етапів схематизації;

p - кількість циклів напружень на етапі схематизації;

- кількість циклів напружень до руйнування за дії циклу напружень ;

Кj1 - коефіцієнт, який враховує вплив напружень попереднього рівня на даний (К 11=1);

Кj2 - коефіцієнт, який враховує нерівномірність амплітуд у часі всередині рівня.

У випадку підсумовування втомного і корозійно-втомного пошкодження елементів бурильних і штангових колон пропонуються рівняння, які враховують найбільший вплив на довговічність амплітуд циклів напружень найнижчих частот.

Аналіз свідчить, що для бурильної колони найбільш руйнівними є цикли напружень найнижчої частоти. Відповідно, рівняння має вигляд

. (2)

Для штангової колони через особливості кінематики приводу свердловинних штангових насосних установок найбільші амплітуди циклів напружень мають дві найнижчі частоти, і відповідне рівняння підсумовування має такий вигляд:

. (3)

Якщо прийняти в першому наближенні всі Кj=1, то дані рівняння будуть відповідати рівнянню Майнера. Тому основну увагу слід спрямувати на визначення Кj. Суть пропонованих коефіцієнтів полягає у виділенні найбільш суттєвих ознак реального процесу широкосмугового навантажування.

Визначення К 21, К 31 і т.д. можна провести з аналізу двочастотних процесів, де накопичено вже значну кількість інформації. У загальному випадку для визначеного матеріалу

Кj1=F(,).

Визначення коефіцієнта Кj значно полегшується при наявності інформації про матеріал, а саме його реакції на зміну напружень. Доцільно поділити усі матеріали за такими ознаками:

Матеріал не реагує на зміну напружень в процесі навантажування і для нього усі Кj=1, тобто формула Майнера справедлива в усіх випадках.

Матеріал реагує на зміну напружень, але загальна реакція на зміну 1 на 2 і навпаки зрівноважується. Для такого випадку Кj2=1, а Кj11 при .

Матеріал реагує на зміну навантаження. Тоді Кj11, а Кj2=F( D) 1 і його вплив тим більший, чим більше значення - варіація процесу.

Для реалізації розробленого методу підсумовування пошкоджень складним є вже перший етап, на якому проводиться схематизація випадкових навантажувань з приведенням їх до еквівалентних за пошкоджуючою дією закономірних чи блокових. На сучасному етапі поки що немає загальноприйнятої методики вирішення цієї задачі. Існуючі методи схематизації (екстремумів, розмахів, викидів, повних циклів, "дощу" тощо) дають різні розподіли навантажень.

Урахування одночасно історії навантажування та широкосмуговості процесу традиційними методами схематизації є неможливим через їх орієнтацію на розподіл величин амплітуд без визначення їх послідовності (метод повних циклів, "дощу") чи без врахування широкосмуговості процесу (метод розмахів, метод екстремумів, метод викидів).

У найбільшій мірі поставленій меті відповідає метод, запропонований Є.К.Почтєнним спочатку для двочастотного процесу, а пізніше розвинутий для багаточастотного навантажування. Поетапне виділення максимумів процесу, запропоноване в даному методі, дозволяє провести аналіз процесу як з точки зору послідовності амплітуд, так і широкосмуговості, яка враховується кількістю виділених етапів схематизації. Але даний метод не дає можливості в достатній мірі дослідити структуру процесу, особливо у випадку складного багаточастотного навантажування з випадковими істотно різними амплітудами. При врахуванні тільки максимумів такого процесу існує можливість спотворення реальної картини процесу, особливо завищення середнього напруження циклу на найбільш низьких виділених частотах.

Найбільш істотно реальна картина процесу відрізняється від схематизованої у двох випадках:

(4)

(5)

За умов (4) даний метод схематизації призводить до заниження реальної складності процесу навантажування. Урахування тільки максимумів процесу не дає можливості оцінити його низькочастотні складові, які можуть суттєво впливати на довговічність деталей при такому характері випадкового навантажування.

У випадку (5) ситуація є протилежною і схематизація за даним методом показує високу складність структури випадкового процесу. Але такий процес характеризується складністю розподілу послідовності амплітуд, а не самої структури. Такий випадковий процес повинен описуватися одноетапною схематизацією, а вже сама складність розподілу амплітуд в часі повинна враховуватися під час аналізу схематизованого процесу. Виділення ж великої кількості низькочастотних складових тільки ускладнює аналіз.

Тому для одночасного врахування впливу як послідовності амплітуд циклів напружень, так і багаточастотності процесу навантажування, розроблено метод схематизації шляхом поетапного виділення середніх значень амплітуд.

Суть методу полягає в наступному. Початковим етапом схематизації є, як і для інших методів, визначення екстремумів процесу . Потім для кожного із сусідніх півциклів визначається амплітуда та середнє значення . Це дає можливість визначити послідовність амплітуд на першій найбільш високій частоті процесу.

На другому етапі розглядається процес, де точками виступають вичислені раніше середні значення . Для цього процесу визначаються екстремальні значення, а інші точки процесу з подальшого розгляду відкидають. Знову визначаються, як і для першого етапу, і . Таким чином, ми отримуємо розподіл амплітуд та їх послідовність на другій, більш низькій частоті.

Таку процедуру повторюють до того стану, поки на якомусь етапі різниця між максимальним і мінімальним значенням процесу не стане меншою за якесь наперед визначене значення [], наприклад, ; або не залишаться 2-3 екстремальні точки.

Даний метод позбавлений недоліків, описаних раніше. Так, за умов (4) метод дає більш складну структуру процесу, а за умов (5) - менш складну.

Використання розробленого методу апробовано на прикладі випадкового процесу, для якого проведено схематизацію також згідно з методами "дощу", повних циклів та врахування одного екстремуму між сусідніми перетинами середнього рівня. Аналіз показав досить близьку відповідність розподілів, отриманих згідно з пропонованим методом і методом "дощу", який на сьогоднішній день рахується найбільш прийнятним при розрахунках. Але головною перевагою запропонованого методу схематизації є одержання розподілу в часі амплітуд напружень при одночасному визначенні реальної складності структури процесу. Це дає можливість більш повно враховувати історію навантажування та складність структури процесу при розрахунках на довговічність. Таким чином, підтверджено перше положення, що захищається.

Процеси навантажування трубних і штангових колон характеризуються великою асиметрією циклів напруження. У такому випадку за використання рівняння (1) існує проблема оцінки їх пошкоджуючої дії. У зв'язку з тим, що переважну більшість експериментів з визначення параметрів опору втомі елементів колон проводять за симетричного циклу напружень, необхідним етапом є приведення асиметричних циклів до еквівалентних за пошкоджуючою дією симетричних.

Для розрахункового приведення вищих за відповідну границю витривалості асиметричних напружень з коефіцієнтом асиметрії до симетричних пропонується, виходячи із закономірностей кінетики втомного пошкодження та лінійної залежності характеристики кута нахилу кривої втоми від асиметрії навантаження, використовувати отримане наступне рівняння

, (6)

де - максимальне напруження симетричного циклу, яке еквівалентне за пошкодженням асиметричному з максимальним напруженням і коефіцієнтом асиметрії R;

- коефіцієнт чутливості до асиметрії навантаження;

- границі витривалості при симетричному і віднульовому циклах напружень відповідно.

Аналіз великої кількості експериментів з визначення параметрів опору втомі дає змогу стверджувати, що кут нахилу кривих з рівним ступенем пошкодження в області багатоциклової втоми задовільно описується коефіцієнтом тільки за умови , а при кут нахилу збільшується при зменшенні N. Тому для більшої достовірності приведення асиметричних циклів пропонується криві рівної пошкоджуваності апроксимувати двома прямими. Для напружень з буде справедливим приведення згідно з (6). Для приведення ж циклів напружень з скористаємось особливістю діаграми Хея, а саме тим, що всі криві з рівним ступенем пошкодження сходяться в точці К(1,0). Схему приведення показано на рис. 4.

До симетричного циклу приводимо вище за відповідну границю витривалості асиметричне напруження, показане на рис. 4 точкою А. Для цього проводимо промінь, який виходить з точки К(1, 0) через А до перетину з прямою R=0 (точка В). За аналогією з приймемо

. (7)

Рис. 4. Схема приведення до симетричного циклу напруження з R>0

Тоді, враховуючи координати точок А і К та умову , отримуємо рівняння

; (8)

; (9)

. (10)

Для обґрунтування можливості використання розроблених рівнянь приведення асиметричних циклів стосовно розрахунків довговічності елементів бурильних і штангових колон проведено аналіз отриманих реалізацій експлуатаційного навантажування бурильних і штангових колон за допомогою діаграми Хея. Схематизацію процесів навантажування проведено за розробленим методом.

Так, на рис. 5 наведено загальний вигляд діаграми Хея з накладеним процесом навантажування колони насосних штанг. Точками зображено виділені під час схематизації цикли напружень.

Рис. 5. Загальний вигляд діаграми Хея з процесом навантаження колони насосних штанг: 1 - лінія статичного руйнування ; 2 - лінія границі плинності ; 3 - лінія границі витривалості.

З діаграми видно, що характерною рисою процесу є відсутність циклів з амплітудами напружень, вищими за відповідну границю витривалості. Подібну картину спостережено і для процесів навантажування бурильної колони.

Таким чином, проведений аналіз процесів навантажування, які виникають під час експлуатації елементів бурильних і штангових колон, свідчить, що в спектрі напружень найбільше місце займають низькоамплітудні напруження з параметрами , які не перевищують відповідну границю витривалості . Це вказує на необхідність розроблення уточнених методів приведення низькоамплітудних циклів навантажування для оцінки довговічності бурильних і штангових колон.

Для розроблення такого уточненого методу використано закономірності низькоамплітудного корозійно-втомного пошкодження й особливості побудови ліній однакової пошкодженості на діаграмі Хея. Згідно з аналізом, для циклів напружень, нижчих за границю витривалості, прийнято модель лінійного зменшення коефіцієнта чутливості залежно від рівня навантаження. За даною моделлю виведено відповідні рівняння приведення. Так, для низькоамплітудного циклу напружень з коефіцієнтом асиметрії

, (11)

де .

Для низькоамплітудного асиметричного циклу з коефіцієнтом асиметрії маємо

, (12)

де ;

; ; .

Для оцінки достовірності запропонованих рівнянь приведення проаналізовані результати експериментального дослідження зразків, виготовлених зі сталі 40ХН. Отримано такі параметри кривих втоми за рівнянням

: (13)

- для симетричного циклу навантаження;

- для віднульового.

На рис. 6 наведено криві втоми, побудовані за експериментальними дослідженнями, а також криві, побудовані з використанням рівнянь (6) і (10).



Рис. 5. Експериментальні (1, 2) та приведені (3, 4, 5) криві втоми для зразків зі сталі 40ХН

Таким чином, запропонований метод приведення асиметричних циклів навантаження практично повністю відповідає результатам експерименту. Отже, при аналізі випадкового процесу навантажування трубних і штангових колон можна використовувати запропоноване приведення до еквівалентного симетричного процесу за допомогою рівнянь (6-12), які більш точно враховують чутливість до асиметрії навантаження. Таким чином, підтверджено друге положення, що захищається.

Як відомо, трубні і штангові колони працюють у корозійних середовищах бурильного розчину чи газонафтоводяної суміші, підлягаючи впливу корозійного середовища. Але при використанні рівняння (13) для оцінки довговічності та залишкового ресурсу в умовах корозійної втоми ми зустрінемося зі значними труднощами. Крива втоми у формі (13) має нижню гілку, яка асимптотично наближається до границі витривалості. Експериментальні ж дослідження в умовах корозійної втоми показують, що в такому випадку крива не має горизонтальної нижньої гілки.

Таким чином, існує необхідність урахування нижньої гілки кривої корозійної втоми. Для цього нами пропонується використання трипараметричного рівняння Є.К. Почтєнного

(14)

для верхньої гілки кривої корозійної втоми в комбінації з розробленим автором рівнянням

, (15)

де Nr - кількість циклів до руйнування деталей з імовірністю неруйнування r;

- максимальне напруження циклу регулярного навантаження з постійним значенням коефіцієнта асиметрії R;

- параметр з розмірністю напруження;

- коефіцієнт витривалості;

- границя витривалості;

, - параметри нижньої гілки кривої корозійної втоми.

Перехід з однієї кривої на іншу відбувається за умови при

, (16)

де k - запропонований параметр з розмірністю напруження.

...